Научные группы из Санкт-Петербурга и Казани разработали теоретическую модель управления потоками нагретого газа микроволновыми разрядами при полётах со сверхзвуковой скоростью. Результаты помогут в разработке плазменных актуаторов для космических аппаратов.
Вблизи летательных аппаратов, движущихся со сверхзвуковой скоростью, например, спускаемых на поверхность Земли или других планет, неизбежно возникают зоны нагрева и изменения плотности газа. Они влияют на направление и скорость движения летательного аппарата. И чтобы лучше контролировать полёт, потоками нагретого газа нужно уметь управлять. Это можно делать при помощи СВЧ-импульсов.
Исследовательские группы в разных странах заняты разработкой оптимальных режимов СВЧ-разрядов для максимально эффективного воздействия на сверхзвуковые потоки газа. В диффузном режиме СВЧ-разряда заряженные частицы распределены в виде «облака», в нитевидном — стягиваются в тонкую нить. Во втором режиме СВЧ-разряд приводит к максимальному нагреву в области формирования разряда и к снижению плотности газа перед летательным аппаратом, что облегчает его движение.
Учёные из Санкт-Петербургского государственного университета и Казанского национального исследовательского технического университета имени А.Н. Туполева — КАИ разработали теоретическую модель, описывающую формирование плазмы СВЧ-разрядов в молекулярных газах. В частности, авторы исследовали переход из диффузной формы разряда в нитевидную в азоте. Азот был выбран в качестве плазмообразующего газа как один из основных компонентов воздуха.
Моделирование показало, что диффузный разряд сначала вытягивается в виде «облака» заряженных и возбуждённых частиц, а затем переходит в форму нитевидного плазмоида — более плотного «сгустка». Внутри плазмоида газ нагревается до температуры порядка 830 градусов Цельсия и выше за доли секунды. Это объясняется тем, что при взаимодействии возбуждённых частиц азота выделяется большое количество энергии, которая используется для нагрева газа, снижая его плотность.
На формирование разряда влияют примеси кислорода — ещё одного важного компонента атмосферного воздуха. Газ в области формирования разряда нагревается примерно на 4 микросекунды быстрее, чем в чистом азоте. Это объясняется более интенсивным выделением энергии при взаимодействии заряженных частиц азота и молекул кислорода.
Все полученные результаты помогут в разработке так называемых плазменных актуаторов — устройств для управления газовыми потоками у поверхности летательных и спускаемых космических аппаратов.
«Предложенная модель интересна как с фундаментальной точки зрения, так и с прикладной, потому что помогает прогнозировать оптимальные условия для снижения плотности газа в сверхзвуковых потоках. Это даст возможность управлять скоростью и направлением движения летательных аппаратов, а значит, снизить вероятность их крушения. В будущем мы планируем дополнить предложенную модель, учтя в ней движение частиц газа, содержащего молекулы кислорода», — рассказывает доктор физико-математических наук, доцент кафедры общей физики Казанского национального исследовательского технического университета имени А.Н. Туполева — КАИ Алмаз Сайфутдинов.
«Мы развиваем нашу модель с точки зрения возможности лазерного инициирования СВЧ-разрядов, при котором с помощью предварительной лазерной искры можно будет зажечь СВЧ-разряд в необходимой точке пространства», — добавил учёный.
Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале Plasma Sources Science and Technology.
